УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ ГРУНТА Советский патент 2006 года по МПК G01B7/24 

Предлагаемое изобретение относится к области техники, связанной с геофизическими исследованиями и предназначено для исследования зон динамического деформирования грунта, определения влияния этих зон на характер волнового процесса в целом и оценки параметров сейсмовзрывных волн в зонах динамического деформирования грунтовой среды в ближних зонах взрывов зарядов ВВ.

Данное изобретение является усовершенствованием известного устройства, описанного в авт. св. №1840327 9/28 от 10.01.77 г. кл. G 01 В 7/24.

В основном изобретении по авт. св. №1840327 кл. G 01 В 7/24 описано устройство для измерения деформации грунта, используемое для измерения динамических деформаций в ближних зонах взрывов зарядов ВВ.

Это устройство состоит из двух катушек возбуждения, удаленных на 2-3 диаметра друг от друга; резонансного LC контура, жестко связанного конструктивно с одной из катушек; генератора переменного тока; устройств регулирования амплитуд и фаз; формирователей импульсов; фазового детектора и фильтра, выход которого подключен к регистрирующему устройству, например, к шлейфовому осциллографу, самописцу и т.п.

Принцип работы устройства заключается в преобразовании опорного синусоидального колебания в фазомодулированное и сравнении опорного и модулированного колебаний. С этой целью LC контур настраивается в резонанс частоты опорного генератора. При этом крутизна фазовой характеристики в области малых расстроек контура определяется известным выражением

где ϕ - фаза сигнала;

ω - частота сигнала;

L - индуктивность контура;

С - емкость контура;

r - активное сопротивление контура.

Из рассмотрения этого уравнения можно сделать вывод, что, изменяя один из параметров L, С или r контура, можно менять угол наклона фазовой характеристики.

В данном случае получена система с симметричной связью контуров. Уравнение относительной фазовой характеристики имеет вид:

где Q₁ - добротность контура;

Q₂ - добротность катушки конструктивно не связанной с контуром;

К_св - коэффициент связи между контуром и катушками;

- относительная расстройка системы.

Из выражения (2) следует, что изменение коэффициента связи К_св вызывает изменение фазовой характеристики системы, что, в свою очередь, вызывает сдвиг фазы напряжения в контуре.

Процесс фазовой модуляции описывается выражением

где m_ϕ - индекс фазовой модуляции;

ψ - начальная фаза колебаний;

Ω - частота модулирующего колебания.

Из выражения (3) следует, что изменение фазы напряжения на контуре эквивалентно процессу фазовой модуляции. Следовательно, при изменении расстояния между катушкой, связанной с контуром, и другой катушкой напряжение на контуре будет промодулировано по фазе.

Фазомодулированное колебание с контура через кабельную линию связи подается на формирователь импульсов, где формируется меандр в фазе с принимаемым сигналом и частотой следования, равной частоте опорного генератора. Формирование меандра обусловлено необходимостью исключения погрешности, вызываемой искажением сигнала при передаче его по линии связи. Кроме того, при работе с прямоугольными импульсами характеристика фазового детектора будет линейна в пределах ±П/2.

Перед измерениями обязательно производится статическая татировка устройства в лабораторных условиях, определяется зависимость выходного тока I_вых. от смещения l катушек относительно друг от друга.

При измерениях устройство устанавливается в измерительную скважину. Перед опусканием в скважину катушки взаимоинцуктивности вместе с L, С контуром устанавливаются в полиэтиленовую форму, в которой путем набивки, извлеченного при бурении скважины грунта, создаются необходимые значения плотности, влажности и сдвиговой прочности, соответствующие значениям окружающего грунта в месте установки устройства. Сверху грунт в форме покрывается слоем парафина для сохранения физико-механических свойств грунта в форме.

После опускания формы с датчиком в измерительную скважину, пространство между стенками формы и скважины заполняется цементным раствором с акустическим импедансом близким к импедансу окружающего грунта, а скважина заполняется извлеченным при бурении из нее грунтом с восстановлением первоначальных стратиграфических характеристик каждого слоя грунта.

После помещения датчика (катушек взаимоиндуктивности и резонансного контура) в исследуемую среду и подключения кабельной линии с помощью потенциаметров и фазовращателей выбирается рабочая точка, определяющая чувствительность системы, и балансируется фазовый детектор. При этом выходное напряжение с фазового детектора равно нулю.

При воздействии сейсмовзрывных волн, вызванных взрывами зарядов ВВ, катушка с жестко связанным с ней контуром LC сменяется относительно другой катушки пропорционально деформации грунта, напряжение на контуре модулируется по фазе и после прохождения через формирователь, фазовый детектор и фильтр полезный сигнал записывается регистрирующим устройством.

Длина кабельных линий, соединяющих датчики с остальными элементами устройства, располагаемыми в приборном сооружении, неодинакова из-за разного расположения измерительных скважин от приборного сооружения и может изменяться от десятков метров до нескольких километров.

В связи с этим параметры кабельных линий отличаются от параметров линии, используемой при калибровке в лабораторных условиях. Эти отличия вносят погрешность в измерения, которая зависит от протяженности линий и в каждом случае различна.

Кроме того, со времени установки датчиков до момента взрыва проходит значительный промежуток времени (до нескольких месяцев). Это, в свою очередь, приводит к изменению параметров измерительного тракта, так как изменяется сопротивление изоляции линий, изменяется чувствительность регистрирующей аппаратуры (в частности, шлейфов осциллографов) от воздействия влаги, изменения температуры окружающей среды.

Все это приводит к тому, что при смещении катушек относительно друг друга на одно и тоже расстояние результаты измерений в лабораторных условиях при тарировке и полученные в полевых условиях расходятся иногда до 30% и более.

Целью дополнительного изобретения является устранение этого недостатка и тем самым повышение точности измерений. Это достигается тем, что в устройство дополнительно введен узел калибровки, включающий постоянные емкости и сопротивление, установленные в цепи питания одной из катушек, а такие коммутационные элементы (реле, тумблер), обеспечивающие логику работы узла калибровки.

Предлагаемое устройство представлено на чертежах, где на фиг.1 - изображена структурная схема устройства, на фиг.2 - эпюра записи калибровочного импульса в лабораторных условиях, на фиг.3 - эпюра записи калибровочного импульса в полевых условиях.

Устройство (фиг.1) состоит из катушек взаимоиндуктивности 1, 2, удаленных на 2-3 диаметра друг от друга; резонансного контура 3, жестко связанного конструктивно с катушкой 1; генератора переменного тока 4; устройств регулирования амплитуды 5, 6 и фазы 7, 8; узла калибровки 9 (на схеме фиг.1. выделен жирной линией), состоящего из сопротивления и емкости 10, реле 11, тумблера 12; формирователей импульсов 13, 14, фазового детектора 15 и фильтра 16, выход которого подключен к регистрирующему устройству 17.

Узел калибровки 9 включен в цепь питания катушки 2. Принцип работы узла калибровки основан на том, что при работе устройства в контуре 3 происходит сложение синусоидальных напряжений U₁ и U₂ соответственно наведенных катушками 1 и 2, при этом результирующее напряжение U₃ и фаза ϕ₃ соответственно равны.

где U₁ - напряжение, наведенное в контуре 3 катушкой 1;

U₂ - напряжение, наведенное в контуре катушкой 2;

ϕ₁ и ϕ₂ - начальные фазы наведенных напряжений.

Из выражений (4), (5) следует, что, изменяя в одной из катушек 1, 2 амплитуду или фазу напряжений U₁ или U₂, можно изменять и фазу напряжения U₃, т.к. tgϕ₃ зависит от этих величин.

В данном изобретении осуществляется сдвиг фазы напряжения U₂ в катушке 2 с помощью сопротивления и емкости 10. При тарировке датчика в лабораторных условиях, то есть при определении зависимости выходного тока I_вых. от относительного смещения l катушек, на катушку 2 с узла калибровки с помощью тумблера 12 и реле 11 подается сигнал калибровки, представляющий импульс длительностью, например, 0,5-1 c, сдвинутый на 10-15° по фазе относительно опорного сигнала. Этот импульс после преобразования элементами схемы выделяется как полезный сигнал I_к1, эквивалентный некоторому смещению катушек взаимоиндуктивности относительно друг друга.

После установки датчика в измерительной скважине и подсоединения к нему кабельной линии непосредственно перед опытом снова подается этот же калибровочный импульс. Выделенный полезный сигнал I_к2, уже будет отличаться на ΔI от сигнала, полученного в лабораторных условиях при тарировке датчика, из-за влияния кабельной линии, изменения температуры и влажности окружающей среды. По полученным сигналам I_к1 и I_к2 определяется коэффициент K, учитывающий влияние перечисленных выше факторов, равный

В дальнейшем при обработке осциллограммы замеренное значение деформации грунта умножается на этот коэффициент. В устройстве подача калибровочного импульса предусмотрена как вручную, так и дистанционно за несколько секунд до опыта, для чего имеется цепь дистационного включения реле 12.

В организации-заявителе разработано устройство по предлагаемой схеме, изготовлен опытный образец и проведены его лабораторные и полевые испытания.

Образцы записи калибровочного импульса в лабораторных и полевых условиях приведен на фиг.2 и фиг.3 соответственно, где

I_к - ток калибровки, мА;

t - время, с.

Из анализа результатов измерений следует, что устройство работоспособно. Эффективность предлагаемого устройства, состоит в том, что использование его повышает точность измерения деформации грунта на 10-15%.

Устройство для измерения деформации грунта по авт. св. №1840327 дополнительно содержит узел калибровки, содержащий постоянные емкость и сопротивление, установленные в цепи питания одной из катушек взаимоиндуктивности через коммутационные элементы. Коммутационные элементы обеспечивают логику работы устройства. Технический результат - повышение точности измерений. 3 ил.

Устройство для измерения деформации грунта по авт. свид. №1840327, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено выполненным в виде RC цепочки и связанного с ней переключателя, узлом калибровки, включенным между одной из катушек взаимоиндуктивности и индикатором сигналов.